噴霧干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在中藥制藥中的應用

1、化工裝備技術(shù)第27卷第2期2006年5蔡業(yè)彬33(, 綜述了噴霧干燥技術(shù)的研究, 最后給出了噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥生產(chǎn)中的應用實例中藥液一步噴霧干燥造粒。該項技術(shù)將中藥稀藥液直接噴霧干燥制成干顆粒, 將中藥加工中藥液的濃縮、多效濃縮、造粒、干燥四步合為一步, 大大簡化并縮短了中藥提取液到半成品或成品的工藝和時間, 提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量?？蔀閲婌F干燥技術(shù)的推廣應用以及提高中藥制藥水平提供借鑒與幫助。關(guān)鍵詞噴霧干燥霧化技術(shù)噴霧造粒中藥制藥一步造粒噴霧干燥是將原料液用霧化器分散成霧滴, 并用熱空氣(或其它氣體 與霧滴直接接觸的方式而獲得粉粒狀產(chǎn)品的一種干燥過程。原料液可以是溶液、乳濁液或懸浮液,

2、 也可以是熔融液或膏狀物。干燥產(chǎn)品可以根據(jù)需要, 制成粉狀、顆粒狀、空心球狀或團粒狀。噴霧干燥技術(shù)已有一百多年的歷史。自1865年噴霧干燥最早用于蛋品處理以來, 這種由液態(tài)經(jīng)霧化和干燥在極短時間直接變?yōu)楣腆w粉末的過程, 已經(jīng)取得了長足的進步。它使許多有價值但不易保存的物料得以大大延長保質(zhì)期, 使一些物料便于包裝、使用和運輸, 同時也簡化了一些物料的加工工藝。由于噴霧干燥具有“瞬時干燥”、“干燥產(chǎn)品質(zhì)量好”、“干燥過程簡單”等特點, 明顯優(yōu)于其它干燥方式, 到20世紀三四十年代, 該技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用于乳制品、洗滌劑、脫水食品以及化肥、染料、水泥的生產(chǎn), 目前常見的速溶咖啡、奶粉、方3廣東省“

3、十五”重大科技專項項目(A 301020302 資助。33蔡業(yè)彬, 男, 1968年生, 碩士, 副教授。茂名市, 525000。便食品湯料等就是由噴霧干燥得到的產(chǎn)品1, 2。我國最早將噴霧干燥用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的是乳品行業(yè), 之后是洗滌劑和染料行業(yè)等, 目前應用已十分廣泛, 遍及了以上所涉及的所有行業(yè), 尤其在陶瓷和制藥行業(yè)噴霧干燥的應用更為普遍。對于中藥制藥行業(yè), 噴霧干燥技術(shù)的應用有其獨特的作用, 大大簡化并縮短了中藥提取液到制劑半成品或成品的工藝和時間, 提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文對噴霧干燥的過程階段及優(yōu)缺點進行分析, 綜述噴霧干燥技術(shù)的研究進展, 并對噴霧干燥技術(shù)的應用前景進行分

4、析, 最后給出噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥生產(chǎn)中的應用實例中藥液一步噴霧干燥造粒。1噴霧干燥的過程階段及優(yōu)缺點分析111噴霧干燥的過程階段噴霧干燥可分為三個基本過程階段:一是6噴霧干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在中藥制藥中的應用112噴霧干燥的優(yōu)缺點分析11211噴霧干燥的優(yōu)點料液霧化成霧滴; 二是霧滴和干燥介質(zhì)接觸、混合及流動, 即進行干燥; 三是干燥產(chǎn)品與空氣分離。11111噴霧干燥的第一階段料液的霧化料液霧化為霧滴和霧滴與熱空氣的接觸、混合, 是噴霧干燥獨有的特征。霧化的目的在于將料液分散成微細的霧滴, 表面積, 當其與熱空氣接觸時, 響很大, 。, 就會出現(xiàn)大顆粒還沒達到干燥要求、小顆粒卻已干燥過度而

5、變質(zhì)的現(xiàn)象。因此料液霧化所用的霧化器是噴霧干燥的關(guān)鍵部件。目前常用的霧化器有氣流式、壓力式、旋轉(zhuǎn)式和聲能霧化器等。11112噴霧干燥的第二階段霧滴和空氣的接觸霧滴和空氣的接觸、混合及流動是同時進行的傳熱傳質(zhì)過程, 即干燥過程, 此過程在干燥塔內(nèi)進行。霧滴和空氣的接觸方式、混合與流動狀態(tài)決定于熱風分布器的結(jié)構(gòu)型式、霧化器在塔內(nèi)的安裝位置及廢氣排出方式等。在干燥塔內(nèi), 霧滴-空氣的流向有并流、逆流及混合流。霧滴與空氣的接觸方式不同, 對干燥塔內(nèi)的溫度分布、霧滴(或顆粒 的運動軌跡、顆粒在塔內(nèi)的停留時間及產(chǎn)品性質(zhì)等均有很大影響。霧滴的干燥過程也經(jīng)歷著恒速和降速階段。研究霧滴的運動及干燥過程, 主要是

6、確定干燥時間及干燥塔的主要尺寸。11113噴霧干燥的第三階段干燥產(chǎn)品與空氣分離噴霧干燥的產(chǎn)品大多采用塔底出料, 部分細粉夾帶在排放的廢氣中, 廢氣在排放前必須將這些細粉收集下來, 以提高產(chǎn)品收率, 降低生產(chǎn)成本。排放的廢氣必須符合環(huán)境保護的排放標準, 以防止環(huán)境污染。只要干燥條件保持恒定, 保持恒定; , 其系統(tǒng), 適用于水溶液; 原料液可以是溶液、泥、糊狀物或熔融物, 甚至是濾餅等均可處理; 噴霧干燥操作具有非常大的靈活性, 噴霧能力可達每小時幾千克至200噸4。11212噴霧干燥的缺點噴霧干燥投資費用比較高; 噴霧干燥屬于對流型干燥, 熱效率比較低(除非利用非常高的干燥溫度 , 一般為30

7、%40%。2噴霧干燥技術(shù)的研究進展噴霧干燥技術(shù)的核心是流化技術(shù), 具有從流體到固體瞬時干燥的突出優(yōu)勢。其設備一般是由霧化器(噴頭 、干燥塔、進出氣及物料收集回收系統(tǒng)等組成。其中使料液霧化所用的霧化器是噴霧干燥裝置的關(guān)鍵部件。211霧化器的種類和霧化形式一般在生產(chǎn)中常用的霧化器有氣流式霧化器、壓力式霧化器和旋轉(zhuǎn)式霧化器幾種。不同的霧化器可以產(chǎn)生不同的霧化形式, 按照不同的霧化形式可以將噴霧干燥分為氣流式霧化、壓力式霧化和旋轉(zhuǎn)式霧化。霧化形式的選擇取決于料液的性質(zhì)和最終產(chǎn)品所要求的特性。對于液體的霧化機理, 基本上可分為三種類型, 即滴狀分裂、絲狀分裂和膜狀分裂。在噴霧干燥操作中, 霧化機理與霧化

8、方法、操作條件、流體的物性等有關(guān)。霧化機理可以指導我們進行合理的霧化器的設計和操作。氣流式霧化利用壓縮空氣(或水蒸氣 高速從噴嘴噴出并與另一通道輸送的料液混合, 借助空氣(或水蒸氣 與料液兩相間相對速度不同產(chǎn)生的摩擦力, 把料液分散成霧滴。根據(jù)噴嘴的流體通道數(shù)及其布局, 氣流式霧化器又可化工裝備技術(shù)第27卷第2期2006年表1比較的條件一般溶液懸浮液膏糊狀物料料液黏度適應性處理量壓力(M Pa 泵泵的維修泵的價格磨蝕情況噴霧過程控制噴霧器堵塞情況顆粒粒度顆粒均勻性最終含水量直徑高度熱風流向原料進料粒徑(m 相對成本7三種霧化器的比較氣流式可以可以可以改變壓縮氣壓力調(diào)節(jié)范圍較大011015容易低

9、最容易最大中等中等中等較細不均勻最低小較高并流、逆流2004001料液條件加料方式霧化器產(chǎn)品干燥器其他壓力式可以可以240困難高大低容易較小大難大較粗均勻較高小最高并流、逆流1002003旋轉(zhuǎn)式可以不可以, 處理量最大離心泵等容易低小最高不容易最小小容易小微細均勻較低最大最低并流5010005以分為二流體外混式、二流體內(nèi)混式、三流體內(nèi)混式、三流體內(nèi)外混式以及四流體外混式、四流體二內(nèi)一外混式等等3。氣流式霧化器的結(jié)構(gòu)簡單, 處理對象廣泛, 但能耗大。壓力式霧化利用壓力泵將料液從噴嘴孔內(nèi)高壓噴出, 直接將壓力轉(zhuǎn)化為動能, 使料液與干燥介質(zhì)接觸并被分散為霧滴。壓力式霧化器生產(chǎn)能力大, 耗能小; 細粉

10、生成少, 能產(chǎn)生小顆粒, 固體物回收率高。旋轉(zhuǎn)式霧化利用高速旋轉(zhuǎn)的盤或輪產(chǎn)生的離心力將料液甩出, 使之與干燥介質(zhì)接觸形成霧滴。旋轉(zhuǎn)式霧化器受進料影響(如壓力 變化小; 控制簡單。三種霧化器的比較見表13, 4, 5。三種霧化原理的理論研究, 主要圍繞著噴霧器的關(guān)鍵參數(shù)與霧化性能而展開, 黃立新等3對此做了綜述報道。這方面的研究將有助于噴霧器性能的改進, 也有利于應用過程中根據(jù)噴霧料液及其產(chǎn)品要求對霧化器進行選擇。中藥提取液的噴霧干燥, 基本上是以旋轉(zhuǎn)式霧化和氣流式霧化形式進行的, 而后者以小型試驗設備多見。從霧化的實現(xiàn)而言, 壓力式霧化需要高壓泵和較大的霧化空間, 氣流式霧化能耗又很高, 這些

11、都限制了它們的應用。相對而言, 旋轉(zhuǎn)式霧化器技術(shù)要求相對較低, 是最容易實現(xiàn)的。212噴霧干燥機理的研究影響噴霧干燥效果的因素很多, 除霧化器外, 還有干燥塔、進出氣及物料收集回收系統(tǒng)以及整個干燥器系統(tǒng)。國內(nèi)外許多學者對噴霧干燥的數(shù)學模型進行了研究, 以期給出干燥塔內(nèi)氣體流動狀態(tài)和各種熱力學參數(shù)的分布信息, 這對噴霧干燥器的設計、優(yōu)化以及干燥效果等的提高都具有很重要的意義。吳中華等6應用氣-粒兩相流理論和計算流體力學(CFD , 結(jié)合噴霧干燥的特點, 建立了模擬噴霧干燥塔內(nèi)氣體-顆粒兩相湍流流動的CFD 模型, 并對實驗室脈動燃燒噴霧干燥過程進行了8噴霧干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在中藥制藥中的應用(

12、進風溫度60150 、常溫噴霧干燥(進風溫度60以下 、降低能耗與多級干燥等都將數(shù)值模擬。其結(jié)果具有詳細、直觀的特點; 模擬得到的噴霧干燥塔內(nèi)氣相流場和各種熱力學參數(shù)的分布信息, 可以為噴霧干燥器的設計、干燥過程的優(yōu)化等提供參考。戴命和等7進行了噴霧干燥過程的熱力學建模及仿真, 根據(jù)質(zhì)量平衡原理、熱平衡原理和牛頓定律推導了逆流型; 它包括了物料溫度方程、顆粒速度方程、程, 用。213在噴霧干燥的實驗研究方面, 康智勇8研究了壓力式噴霧干燥塔噴嘴孔徑對粉料的影響, 認為大孔徑更適于噴霧顆粒的分布向大顆粒集中。王曉蘭等9在工廠大生產(chǎn)的條件下研究了影響噴霧干燥粉粒粒度分布的因素, 分析了陶瓷坯料泥漿

13、粘度、含水率、噴霧壓力、噴霧器孔徑與粉粒粒度分布之間的關(guān)系, 得出其影響系數(shù)由大至小分別為噴霧器孔徑、壓力、粘度、含水率等。楊志生等10在對農(nóng)藥水分散性顆粒噴霧干燥過程的研究中, 分析了干燥進氣溫度、進料量對干燥產(chǎn)品的懸浮率、粒子密度、粒子形狀等的影響。噴霧干燥在越來越廣泛的應用中, 已經(jīng)不僅限于傳統(tǒng)的干燥模式, 劉相東等11進行了脈動氣流的噴霧干燥研究。利用脈動燃燒產(chǎn)生的高頻脈動氣流對N aC l 溶液進行了噴霧干燥試驗, 結(jié)果表明:高溫、高頻振蕩氣流下的噴霧干燥比傳統(tǒng)噴霧干燥的蒸發(fā)速率提高了215倍。214噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢噴霧干燥技術(shù)應用廣泛, 其優(yōu)勢明顯, 但其理論仍然落后于實踐,

14、 突出表現(xiàn)在干燥理論的實踐指導性差。干燥動力學、非球形顆粒的干燥模擬、噴霧干燥等領(lǐng)域有待進行更深入的研究3。噴霧干燥熱效率低, 因此, 噴霧干燥的節(jié)能降耗問題就比較突出1; 亞高溫噴霧干燥是今后的研究重點。另外, 、噴、域。(1 采用組合干燥。當噴霧干燥本身不能完成干燥任務時, 首先要想到組合干燥。如噴霧干燥加流化床(干燥及冷卻 、噴霧干燥加帶式干燥等。(2 霧化器的改進。當某種物料霧化很困難時, 可改進原有霧化器的結(jié)構(gòu), 以適應新物料的霧化要求。例如, 對旋轉(zhuǎn)霧化器已做了多種改進, 能夠霧化粘性大的物料及噴霧造粒等。(3 靜電霧化技術(shù)的研究與開發(fā)。此項技術(shù)正處于研究與開發(fā)階段, 它可以制造出

15、微米及亞微米級粒子, 制造機能性粒子, 制造薄膜和噴涂等, 預測其將來有廣闊的發(fā)展前景。(4 開發(fā)和完善在線測量系統(tǒng)。使系統(tǒng)操作自動化, 確保產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。(5 開發(fā)過熱蒸汽的噴霧干燥系統(tǒng)。這是一個閉路循環(huán)系統(tǒng), 可以節(jié)省能量, 省去氮氣循環(huán)的操作。(6 利用計算流體力學(CFD 的方法, 解決噴霧干燥器的設計問題。將來可以利用一些可靠的實驗數(shù)據(jù)(包括流動圖形 , 利用CFD 的方法, 比較準確地算出干燥器尺寸及熱風分布方式, 代替目前的半理論、半經(jīng)驗的方法(目前的方法誤差太大 。(7 開發(fā)專用噴霧干燥機, 以適應特殊物料的需要。如軟化點低的中藥、番茄粉、特殊食品等。專用干燥機應達到這樣的

16、水平不用做實驗, 按物料性質(zhì)直接選型購置。(8 控制環(huán)境污染。在設計時就必須考慮到系統(tǒng)的噪聲、粉塵、排放的氣體、濕法除塵的液體等對環(huán)境不構(gòu)成污染?；ぱb備技術(shù)第27卷第2期2006年93噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥中的應用實例中藥液一步噴霧干燥造粒噴霧干燥在工業(yè)上的應用已經(jīng)有一百多年的歷史了。最早, 由于這一工藝的熱效率低, 只用于價格高的產(chǎn)品(如奶粉 或非用這種干燥方法不可的產(chǎn)品(如熱敏性的生物化學產(chǎn)品 幾十年來, , (, (如陶瓷、化學肥料等 , 并且它的應用范圍日益擴大。隨著對霧化機理、霧滴在氣流中的運動、傳熱與傳質(zhì)過程的深入研究, 噴霧干燥器的尺寸和容量已大為增加。這不僅有利于高噸位產(chǎn)品的

17、生產(chǎn), 也節(jié)省了投資費用和操作費用, 從而改善了噴霧干燥器的經(jīng)濟性能。例如我國某廠生產(chǎn)合成洗衣粉所用的噴霧干燥器, 其塔徑為6m , 塔的總高為34m , 合成洗衣粉產(chǎn)量可達40005000kg h 。又如某化肥廠生產(chǎn)硝酸銨所用的噴霧干燥器, 其塔徑達到16m , 塔高為60m , 產(chǎn)量可達每天1000t 4。中藥制劑生產(chǎn)的一般工藝仍以產(chǎn)生大量提取液為特征, 應用噴霧干燥技術(shù)可以將提取液的濃縮、干燥、粉碎甚至制粒一步完成, 避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)操作與減壓干燥工藝耗時長、干燥質(zhì)量差的缺點, 大大提高了生產(chǎn)效率, 同時又能相對提高干燥成品的質(zhì)量, 噴霧干燥的中藥提取物為粉末狀或顆粒狀, 較傳統(tǒng)干燥成品的

18、流動性好、含水量小、質(zhì)地均勻、溶解性能好, 可以直接供片劑、顆粒劑、膠囊劑的成形。然而目前大多數(shù)中藥制造過程中, 提取部分的步驟比較多, 首先用多效真空濃縮, 再用夾層鍋二次濃縮, 第三步用輔料混合, 再造粒, 最后用烘箱烘干成干制品, 合計五步。整個生產(chǎn)過程使用設備多, 暴露空氣中與轉(zhuǎn)運次數(shù)多, 工效低, 能耗大, 特別是濃縮階段時間較長。為此我們研制出中藥液一步噴霧干燥造粒工藝與設備, 將稀藥液直接制成中藥顆粒干制品, 整個過程在一個密封塔內(nèi)完成 , 加工環(huán)境更適合國際推行的G M P 要求( , 代替了在同一塔內(nèi)生M , 、節(jié)如圖1所示, 中藥液噴霧干燥一步造粒的工藝流程為:將定量干燥的輔助料顆粒加入螺旋給料入口, 由上部進入干燥塔, 經(jīng)過過濾的空氣經(jīng)加熱器加熱后從干燥塔底進入; 熱空氣進入后將加入的干燥顆粒形成沸騰層, 輔助顆粒被加熱到指定溫度后啟動空氣壓縮機, 藥液在貯罐中被